CN109245211A - 一种基于Flyback转换器的两级电池组均衡电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Flyback转换器的两级电池组均衡电路，用于由N个单体电池E1‑En串联构成的电池组，包括Flyback转换器模块、初级侧控制模块、测控模块。本发明通过放电型Flyback转换器将电池组中电压最高的单体电池能量部分转移到公共电容中，通过充电型Flyback转换器将公共电容中能量转移到电池组中电压最低的单体电池中，实现电池组任意单体电池之间能量的转移，实现均衡效率的提高；初级侧控制模块能通过脉冲宽度调制（PWM）调节输出电压稳定。

Description

一种基于Flyback转换器的两级电池组均衡电路

技术领域

本发明设计电池均衡电路领域，具体是基于一种基于Flyback转换器的两级电池组均衡电路。

背景技术

电池组均衡电路在提升串联电池组容量利用率的同时，保证其使用安全的有效解决途径。从均衡电流的可控性分析，采用电容作为储能元件的均衡方案，其均衡电流的可控性强。从均衡能量流向的角度来看均衡策略大致可以分为：在充放电过程中，均衡能量只能在各相邻单体之间进行转移；在充放电过程中，均衡能量从串联电池组中端电压或电压最高的电池转移到最低的电池；在充放电过程中，均衡能量从串联电池组中端电压或电压最高的转移到电池组；在充放电过程中，均衡能量从电池组转移到电池组中端电压或电压最低的电池。不同的均衡策略各有优缺点，本发明基于电容作为储能元件，可以根据电池数目和特性的不同，采取合适的均衡策略用以实现串联电池组的充放电均衡。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于Flyback转换器的两级电池组均衡电路，以克服现有均衡电路均衡效率低的不足，解决了电池组因单体电池不一致性影响串联电池组系统使用安全性和最大可用容量的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种基于Flyback转换器的两级电池组均衡电路，用于由N个单体电池E1-En串联构成的电池组，其特征在于：包括Flyback转换器模块、初级侧控制模块、测控模块，所述Flyback转换器模块包括充电型Flyback转换器模块和放电型Flyback转换器模块，所述测控模块包括N个电压采集模块和N+1个控制模块，电池组中每个电池单体的正极及负极均与所述测控模块中的电压采集模块及所述放电型Flyback转换器模块相连，所述测控模块的控制模块与所述放电型Flyback转换器模块的放电控制电路及充电型Flyback转换器模块的充电控制电路相连，所述放电型Flyback转换器模块与公共储能单元相连，所述初级侧控制模块及公共储能单元与所述充电型Flyback转换器模块相连，所述充电型Flyback转换器模块与自动开关K相连，所述控制模块控制自动开关K连接电池组最低电压单体电池进行充电，所述电压采集模块采集每个电池单体的电压并将采集到的电压输出给所述控制模块，所述控制模块根据接收的最高电压或最低电压与电池组平均电压差值超过设定电压差时，则通过所述控制模块控制充电、放电控制电路进行工作，所述初级侧控制模块可以保证充电型Flyback转换器输出稳定。

所述的一种基于Flyback转换器的两级电池组均衡电路，其特征在于：所述的Flyback转换器模块由两级Flyback转换器组成，放电型Flyback转换器包括N个输入绕组L11-Ln1、N个场效应管Q1-Qn、N个电感L12-Ln2、N个电容C1-Cn、N个二极管D11-Dn1、N个二极管D12-Dn2、输出绕组L’、二极管D1、电容器C1’，其中输入绕组L11-Ln1的L1’端一一对应与二极管D12-Dn2正极连接，输入绕组L11-Ln1的L2’端一一对应与单体电池E1-En的负极连接，二极管D12-Dn2的负极一一对应与场效应管Q1-Qn的源极连接，场效应管场效应管Q1-Qn的漏极与电源的正极相连，电感L12-Ln2的L1’’端一一对应与电池正极连接，电感L12-Ln2的L2’’端一一对应与二极管D11-Dn1正极连接，二极管D11-Dn1串联一一对应的电容C1-Cn与场效应管Q1-Qn的源极连接，输出绕组L’的L1端与二极管D1的负极连接，二极管D1的正极串联电容C1’与输出绕组L’的L2端连接，充电型Flyback转换器包括电容C1’和C2’、二极管D2和D3、输入绕组L1、场效应管Q’、输出绕组L2、自动开关K，输入绕组L1的L2端与场效应管Q’的源极连接，场效应管Q’的漏极串联电容C1’与输入绕组的L1端连接，输入绕组L1的L2端与二极管D2的负极连接，二极管D2的正极串联电容C2’与电感L1的L1端连接，输出绕组L2的L1端与二极管D3的负极连接，二极管D3的正极和输出绕组L2的L2端与自动开关并联连接，由场效应管Q1-Qn、二极管D12-Dn2、输入绕组L11-Ln1、输出绕组L’、二极管D1、电容C1’构成均衡放能电路，由电容C1’、输入绕组L1、场效应管Q’及输出绕组L2、二极管D3、自动开关构成均衡储能电路，均衡放能电路与均衡储能电路共同电容C1’。

所述的一种基于Flyback转换器的两级电池组均衡电路，其特征在于：所述初级侧控制模块包括在充电型Flyback转换器上添加辅助绕组电路、初级侧控制电路，所述辅助绕组电路包括辅助绕组L3、二极管D4，初级侧控制电路包括1个电压检测单元、1个电流检测单元，电压检测单元检测辅助绕组输出电压，电流检测单元所述充电控制电路输入电流。

所述的一种基于Flyback转换器的两级电池组均衡电路，其特征在于：所述测控模块包括N个单体电压检测单元、N+1个控制单元，其中单体电压检测单元一一对应连接单体电池E1至En的正负极测量各个单体电池端电压，控制单元分别连接场效应管Q1-Qn及Q’的栅极以控制他们的导通或关闭。

所述的一种基于Flyback转换器的两级电池组均衡电路，其特征在于：所述的场效应管均为P沟道增强型mosfet。

本发明的有益效果在于：

本发明通过放电型Flyback转换器将电池组中电压最高的单体电池能量部分转移到公共电容中，通过充电型Flyback转换器将公共电容中能量转移到电池组中电压最低的单体电池中，实现电池组任意单体电池之间能量的转移，实现均衡效率的提高；初级侧控制模块能通过脉冲宽度调制（PWM）调节输出电压稳定。

附图说明

图1是本发明电路的模块图。

图2是放电型Flyback转换器模块电路工作原理图。

图3是充电型Flyback转换器模块电路工作原理图。

图4是均衡能量在任意单体电池之间流动的充放电控制流程图。

图5是初级侧调节输出电压原理图。

图6是初级侧调节电压流程图。

图7是测控模块原理图。

具体实施方式

一种基于Flyback转换器的两级电池组均衡电路，用于由N个单体电池E1-En串联构成的电池组1，包括Flyback转换器模块、初级侧控制模块5、测控模块2。

如图1所示，N个单体电池E1至En，以串联的方式连接成电池组1，Flyback转换器模块包括充电型Flyback转换器模块3和放电型Flyback转换器模块4，所述测控模块2包括N个电压采集模块6和N+1个控制模块7，电池组1中每个电池单体的正极及负极均与所述测控模块2中的电压采集模块及所述放电型Flyback转换器模块4相连，所述测控模块2的控制模块与所述放电型Flyback转换器模块4的放电控制电路9及充电型Flyback转换器模块3的充电控制电路8相连，所述放电型Flyback转换器模块4与公共储能单元10相连，所述初级侧控制模块5及公共储能单元10与所述充电型Flyback转换器模块3相连，所述充电型Flyback转换器模块3与自动开关K相连，所述控制模块7控制自动开关K连接电池组1最低电压单体电池进行充电，所述电压采集模块6采集每个电池单体的电压并将采集到的电压输出给所述控制模块7，所述控制模块7根据接收的最高电压或最低电压与电池组平均电压差值超过设定电压差时，则通过所述控制模块7控制充电、放电控制电路进行工作，所述初级侧控制模块5可以保证充电型Flyback转换器输出稳定。

图2所示放电型Flyback转换器4包括N个输入绕组L11-Ln1、N个场效应管Q1-Qn、N个电感L12-Ln2、N个电容C1-Cn、N个二极管D11-Dn1、N个二极管D12-Dn2、输出绕组L’、二极管D1、电容器C1’，其中输入绕组L11-Ln1的L1’端一一对应与二极管D12-Dn2正极连接，输入绕组L11-Ln1的L2’端一一对应与单体电池E1-En的负极连接，二极管D12-Dn2的负极一一对应与场效应管Q1-Qn的源极连接，场效应管场效应管Q1-Qn的漏极与电源的正极相连，电感L12-Ln2的L1’’端一一对应与电池正极连接，电感L12-Ln2的L2’’端一一对应与二极管D11-Dn1正极连接，二极管D11-Dn1串联一一对应的电容C1-Cn与场效应管Q1-Qn的源极连接，输出绕组L’的L1端与二极管D1的负极连接，二极管D1的正极串联电容C1’与输出绕组L’的L2端连接，由场效应管Q1-Qn、二极管D12-Dn2、输入绕组L11-Ln1、输出绕组L’、二极管D1、电容C1’构成均衡放能电路。

图3所示充电型Flyback转换器3包括电容C1’和C2’、二极管D2和D3、输入绕组L1、场效应管Q’、输出绕组L2、自动开关K，输入绕组L1的L2端与场效应管Q’的源极连接，场效应管Q’的漏极串联电容C1’与输入绕组的L1端连接，输入绕组L1的L2端与二极管D2的负极连接，二极管D2的正极串联电容C2’与电感L1的L1端连接，输出绕组L2的L1端与二极管D3的负极连接，二极管D3的正极和输出绕组L2的L2端与自动开关并联连接，由电容C1’、输入绕组L1、场效应管Q’及输出绕组L2、二极管D3、自动开关构成均衡储能电路，均衡放能电路与均衡储能电路共同电容C1’。

图4中初级侧控制模块5在充电型Flyback转换器3上添加辅助绕组电路、初级侧控制电路11，所述初级侧控制电路11包括专用集成电路（ASIC）、二极管D4、电阻R1、R2和R3，辅助绕组L3的L1端与二极管的负极连接，二极管D4的正极与ASIC的D端连接，辅助绕组L3的L1端串联电阻R2与ASIC的C端连接，辅助绕组L3的L2端串联电阻R3与ASIC的C端连接，辅助绕组L3的L2端与ASIC的GDN端连接，场效应管Q’的栅极、漏极分别与ASIC的A端、B端连接，形成初级侧控制电路。

图2所示的放电型Flyback转换器4的单电路工作原理图，是能量在电池组任意单体电池之间转移以多输入单输出Flyback转换器作为基本元器件形成放能电路。具体的，假设电池组中Em具有最高的电压，第m个电池与场效应管Qm、二极管Dm2、输入绕组Lm1依此连接形成Flyback转换器的初级侧闭环电路，电容C1’与输出绕组L’、二极管D1依此连接形成Flyback的次级侧闭环电路。对场效应管Q1-Qn同时进行PWM控制，使Q1-Qn在同一固定占空比下进行工作，使得电池组中电压最高的电池Em在场效应管Qm导通时放电到变压器中，在场效应管Qm关断时将变压器中的能量转移到储能元件C’中，实现电池组中能量最多的单体电池将超出电池组平均能量的部分转移到储能元件C’中。图2中电容Cm、二极管Dm1、电感Lm2构成支路，与输入绕组Lm1组成为谐振电路。

图3所示是充电型Flyback转换器3的电路工作原理图，是能量在电池组任意单体电池之间转移以单输入单输出Flyback转换器作为基本元器件形成储能电路。具体的，电容C1’、输入绕组L1、场效应管Q’、电阻R1、形成Flyback转换器的初级侧闭环电路，输出绕组L2、二极管D3、自动开关K形成Flyback转换器的次级侧电路。通过对场效应管Q’进行PWM控制，调节输入电流Is，保证通过辅助绕组反馈的输出电压稳定。图3中电容C2’、二极管D2构成支路，与输入绕组L1组成谐振电路。

图5是电池组中均衡能量在任意单体之间流动的充放电控制流程图，即为图2、图3所示电路图的充放电均衡控制流程图。电池组中单体电池放电过程中，先设定放电和充电电压差值阈值△U_set，对电池组中单体电池电压最高和平均的差值超过电压差值阈值的最高电压单体电池进行放电，将其能量转移到储能单元C’中。对电池组中单体电池电压平均和最低的差值超过电压差值阈值的最低电压单体电池进行充电，将储能单元C’中的能量转移到最低电压单体电池中。

如图4，具体步骤如下：

当电池组中单体电池放电时，

1）通过测控模块估计各个单体电池电压，进行排序，求出平均电压U₁，并将最高电压（Umax）的单体电池标记为Em，并算出△U₁，值为Umax与U₁的差值。

2）若△U₁的值比△U_set值大，则接通场效应管Q1-Qn将电池组中Em的能量转移到储能元件C’中。

3）直到△U的值比△U_set值小时，关断场效应管Q1-Qn。

当电池组中单体电池充电时，

1）通过测控模块估计各个单体电池电压，进行排序，求出平均U_2，并将最低电压（U_min）的单体电池标记为Es，并算出△U₂，值为U₂与U_min的差值。

2）若△U₁的值比△U_set值大，则首先控制自动开关接通到电池组Es电池，同时接通场效应管Q’将储能元件C’的能量转移到电池组中Es中。

3）直到电容C’的能量完全转移或者△U的值比△U_set值小时，关断场效应管Q’。

图5所示电路图为初级侧调节输出电压电路图，是电池组单体充能过程中的控制电路。具体的，在图3所示电路图的基础上增加辅助电路，通过电压、电流反馈，调节PWM信号控制场效应管Q’先调节输入电流Is，进而控制输出电压。由辅助绕组L3、二极管D4、电阻R2、R3连接而成反馈电路，通过基于ASIC的初级侧控制电路处理输入信号，发送输出信号。

图6是初级侧调节电压流程图。在储能元件C’对电池组中电池Es进行充电时，若△U₂大于△U_set，则控制场效应管Q’工作于PWM模式下。设定Iset与Iwork两个阈值，通过电流测量单元测量充电型Flyback转换器初级侧输入电流Is，电压检测单元测量输出电压Us，若Is小于Iset则停止均衡放电，否则对比Is与Iwork，如相等则停止，否则调节PWM信号的占空比后，直至Is等于Iwork，确保输出电压Us稳定，减少输出纹波。

具体的，如图6，步骤如下：

1）若△U₂大于△U_set，则接通场效应管Q’，进行充电。

2）通过电流测量单元测量输入电流Is，若Is小于Iset则停止均衡放电，否则对比Is与Iwork，如相等则停止，否则调节PWM信号的占空比后，重新循环调节。

3）如果Is等于Iwork，且Us等于定值，则等待设定时间后重新开始，否则调节PWM信号的占空比后，重新循环调节。

4）直到电容C’的能量完全转移或者△U的值比△U_set值小时，关断场效应管Q’。

图7中测控模块包括N个单体电压检测单元、N+1个控制单元，其中单体电压检测单元一一对应连接单体电池E1至En的正负极测量各个单体电池端电压，控制单元分别连接场效应管Q1-Qn及Q’的栅极以控制他们的导通或关闭。

Claims (5)

1.一种基于Flyback转换器的两级电池组均衡电路，用于由N个单体电池E1-En串联构成的电池组，其特征在于：包括Flyback转换器模块、初级侧控制模块、测控模块，所述Flyback转换器模块包括充电型Flyback转换器模块和放电型Flyback转换器模块，所述测控模块包括N个电压采集模块和N+1个控制模块，电池组中每个电池单体的正极及负极均与所述测控模块中的电压采集模块及所述放电型Flyback转换器模块相连，所述测控模块的控制模块与所述放电型Flyback转换器模块的放电控制电路及充电型Flyback转换器模块的充电控制电路相连，所述放电型Flyback转换器模块与公共储能单元相连，所述初级侧控制模块及公共储能单元与所述充电型Flyback转换器模块相连，所述充电型Flyback转换器模块与自动开关K相连，所述控制模块控制自动开关K连接电池组最低电压单体电池进行充电，所述电压采集模块采集每个电池单体的电压并将采集到的电压输出给所述控制模块，所述控制模块根据接收的最高电压或最低电压与电池组平均电压差值超过设定电压差时，则通过所述控制模块控制充电、放电控制电路进行工作，所述初级侧控制模块保证充电型Flyback转换器输出稳定。

2.根据权利要求1所述的一种基于Flyback转换器的两级电池组均衡电路，其特征在于：所述的Flyback转换器模块由充电和放电型Flyback转换器组成，放电型Flyback转换器包括N个输入绕组L11-Ln1、N个场效应管Q1-Qn、N个电感L12-Ln2、N个电容C1-Cn、N个二极管D11-Dn1、N个二极管D12-Dn2、输出绕组L’、二极管D1、电容器C1’，其中输入绕组L11-Ln1的L1’端一一对应与二极管D12-Dn2负极连接，输入绕组L11-Ln1的L2’端一一对应与单体电池E1-En的负极连接，二极管D12-Dn2的正极一一对应与场效应管Q1-Qn的源极连接，场效应管场效应管Q1-Qn的漏极与电源的正极相连，电感L12-Ln2的L1’’端一一对应与电池正极连接，电感L12-Ln2的L2’’端一一对应与二极管D11-Dn1负极连接，二极管D11-Dn1串联一一对应的电容C1-Cn与场效应管Q1-Qn的源极连接，输出绕组L’的L1端与二极管D1的正极连接，二极管D1的负极串联电容C1’与输出绕组L’的L2端连接，充电型Flyback转换器包括电容C1’和C2’、二极管D2和D3、输入绕组L1、场效应管Q’、输出绕组L2、自动开关K，输入绕组L1的L2端与场效应管Q’的源极连接，场效应管Q’的漏极串联电容C1’与输入绕组的L1端连接，输入绕组L1的L2端与二极管D2的正极连接，二极管D2的负极串联电容C2’与电感L1的L1端连接，输出绕组L2的L1端与二极管D3的正极连接，二极管D3的负极和输出绕组L2的L2端与自动开关K并联连接，由场效应管Q1-Qn、二极管D12-Dn2、输入绕组L11-Ln1、输出绕组L’、二极管D1、电容C1’构成均衡放能电路，由电容C1’、输入绕组L1、场效应管Q’及输出绕组L2、二极管D3、自动开关构成均衡储能电路，均衡放能电路与均衡储能电路共同电容C1’。

3.根据权利要求1所述的一种基于Flyback转换器的两级电池组均衡电路，其特征在于：所述初级侧控制模块包括在充电型Flyback转换器上添加辅助绕组电路、初级侧控制电路，所述辅助绕组电路包括辅助绕组L3、二极管D4，初级侧控制电路包括1个电压检测单元、1个电流检测单元，电压检测单元检测辅助绕组输出电压，电流检测单元所述充电控制电路输入电流。

4.根据权利要求1所述的一种基于Flyback转换器的两级电池组均衡电路，其特征在于：所述测控模块包括N个单体电压检测单元、N+1个控制单元，其中单体电压检测单元一一对应连接单体电池E1至En的正负极测量各个单体电池端电压，控制单元分别连接场效应管Q1-Qn及Q’的栅极以控制他们的导通或关闭。

5.根据权利要求1所述的一种基于Flyback转换器的两级电池组均衡电路，其特征在于：所述的场效应管均为P沟道增强型mosfet。